Il team ha utilizzato un microscopio a forza atomica (AFM) ad alta risoluzione operante in un ambiente controllato presso il Center for Imaging and Analysis di Princeton. La sonda AFM, la cui punta termina in un singolo atomo di rame, è stata progressivamente avvicinata al legame ferro-carbonio fino a rompersi. I ricercatori hanno misurato le forze meccaniche applicate al momento della frattura, che erano visibili nell’immagine catturata dal microscopio. Un team dell’Università di Princeton, dell’Università del Texas-Austin e della ExxonMobil ha annunciato i risultati in un documento pubblicato il 6 settembre. Connessioni con la natura.

Lo ha affermato il coautore Craig Arnold, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale Susan Dodd-Brown e direttore del Princeton Institute for Materials Science and Technology (PRISM).

“Il fatto che possiamo discernere proprio questo legame, tirandoli e stringendoli, ci permette di capire molto sulla natura di questi tipi di legami – la loro forza, come interagiscono – e questo ha tutti i tipi di effetti, specialmente per la catalisi catalitica, dove ce l’hai su un superficie e poi qualcosa interagisce con esso e lo fa disintegrare”, ha detto Arnold.

Nan Yao, ricercatore principale dello studio e direttore del Center for Imaging and Analysis di Princeton, osserva che gli esperimenti hanno anche rivelato intuizioni su come la rottura del legame influenzi le interazioni del catalizzatore con la superficie su cui è adsorbito. Yao, che è anche professore di pratica e ricercatore senior presso PRISM, ha aggiunto che l’ottimizzazione della progettazione di catalizzatori chimici ha rilevanza per la biochimica, la scienza dei materiali e le tecnologie energetiche.

Negli esperimenti, l’atomo di carbonio faceva parte della molecola di monossido di carbonio e l’atomo di ferro era la ftalocianina di ferro, un comune pigmento e catalizzatore chimico. La ftalocianina di ferro è formata come una croce simmetrica, con un atomo di ferro al centro di un complesso di anelli collegati ad azoto e carbonio. L’atomo di ferro reagisce con il monossido di carbonio e il ferro e il carbonio condividono una coppia di elettroni in un tipo di legame covalente noto come legame dativo.

Yao e colleghi hanno usato la punta della sonda su scala atomica dell’AFM per rompere il legame ferro-carbonio controllando con precisione la distanza tra la punta e le molecole legate, fino a incrementi di 5 picometri (5 miliardesimi di millimetro). La frattura si è verificata quando la punta era 30 micrometri più alta delle molecole, una distanza corrispondente a circa un sesto della larghezza di un atomo di carbonio. A questa altezza, metà della molecola di ftalocianina di ferro è diventata confusa nell’immagine AFM, indicando il punto di rottura del legame chimico.

I ricercatori hanno utilizzato un tipo di AFM noto come senza contatto, in cui la punta del microscopio non entra in contatto diretto con le molecole studiate, ma utilizza invece i cambiamenti nella frequenza delle micro-vibrazioni per creare un’immagine delle molecole. superficie.

Misurando questi cambiamenti di frequenza, i ricercatori sono stati anche in grado di calcolare la forza necessaria per rompere il legame. La punta di una sonda di rame standard ha rotto il legame ferro-carbonio con una forza di attrazione di 150 PKN. Con un’altra molecola di monossido di carbonio attaccata alla punta, il legame è stato rotto con una forza repulsiva di 220 pC. Per approfondire le basi di queste differenze, il team ha utilizzato metodi di simulazione quantistica per modellare i cambiamenti nella densità elettronica durante interazione chimica.

Il lavoro sfrutta una tecnica AFM sviluppata per la prima volta nel 2009 per visualizzare i singoli legami chimici. Il cracking controllato del legame chimico utilizzando il sistema AFM è stato più impegnativo di studi simili sulla formazione del legame.

Leo Gross, che guida il gruppo di ricerca Atom and Molecule Manipulation presso IBM Research a Zurigo ed è stato l’autore principale del 2009 studio che per primo ha analizzato la struttura chimica della molecola mediante AFM.

Spezzando un legame particolare con punte diverse che utilizzano due meccanismi diversi, il nuovo studio contribuisce a “migliorare la nostra comprensione e il controllo della scissione del legame manipolando l’atomo. Si aggiunge alla nostra cassetta degli attrezzi chimica manipolando l’atomo e rappresenta un passo avanti verso il fabbricazione di molecole di design di complessità crescente”, ha aggiunto Gross, che non è stato coinvolto nello studio.

Gli esperimenti sono molto sensibili alle vibrazioni esterne e ad altri fattori confondenti. Lo strumento AFM specializzato si trova presso il Centro di imaging e analisi in un ambiente ad alto vuoto e il materiale viene raffreddato a una temperatura di 4 K, pochi gradi sopra lo zero assoluto, utilizzando elio liquido. Queste condizioni controllate forniscono misurazioni accurate garantendo che molecoleGli stati energetici e le interazioni sono influenzati solo dalla manipolazione sperimentale.

“Hai bisogno di un sistema molto pulito e buono perché questa reazione può essere molto complessa – con molto atomi “Probabilmente non sai quale legame rompere su questa piccola scala”, ha detto Yao, aggiungendo: “Il design di questo sistema semplifica l’intero processo e chiarisce l’ignoto” nella rottura del legame chimico.

Gli autori principali dello studio sono Pengcheng Chen, un ricercatore associato di PRISM, e Dingxin Fan, PhD. Studente presso l’Università del Texas – Austin. Oltre a Yao, altri autori corrispondenti erano Yun Long Zhang della ExxonMobil Research and Engineering ad Annandale, New Jersey, e James R. Chilekowski, professore all’Università di Austin. Oltre ad Arnold, altri autori di Princeton furono Annabella Siloni, professore di chimica al David B. Jones, ed Emily Carter, la professoressa Gerhard R. Andlinger 52 di energia e ambiente. Altri coautori di ExxonMobil sono David Dankworth e Stephen Rucker.